从电子废弃物到资源：确定从废旧印刷电路板中回收铜的最佳预处理方法

《Resources, Conservation and Recycling》：From e-waste to resource: Identifying the optimal pre-treatment for copper recovery from waste PCBs

电子废物中铜回收的预处理方法多准则评价及可持续性分析，采用TOPSIS法对机械、热化学、化学及创新预处理技术进行技术、环境、经济三维评估，发现自动化拆解在技术和环保优先时最优，手动拆解在经济敏感时更具成本效益，提出AI与机器人技术规模化应用对缓解铜供需矛盾的关键作用。

　　

莫伊塞斯·戈麦斯（Moisés Gómez）|丹尼尔·佩尼亚-托雷斯（Daniel Pe?a-Torres）|梅兰妮·科莱特-拉格里尔（Melanie Colet-Lagrille）|凯瑟琳·哈拉米洛（Katherine Jaramillo）|I.M.S.K. 伊兰库恩（I.M.S.K. Ilankoon）|曾宪来（Xianlai Zeng）

清华大学环境学院，北京100084，中国

摘要

从废弃印刷电路板（WPCBs）中有效回收铜对于促进电子行业的循环利用和减少资源损失至关重要。本研究识别并评估了十三种预处理方法——分为机械、热处理、化学处理和创新方法——并使用23个技术、环境和经济指标进行评价。应用多标准决策分析（基于理想解相似性排序技术TOPSIS）在四种不同的权重情景下进行评估，以反映不同的优先策略。结果表明，在重视技术和环境性能的情况下，自动化拆卸方法的排名始终最高；而在成本敏感的条件下，手动拆解方法更为适用。敏感性分析证实了这些排名的稳健性，突显了效率、环境影响和经济可行性之间的权衡。尽管目前主要仍处于实验室规模，但自动化拆卸方法在高效、低影响的铜回收方面显示出巨大潜力，结合人工智能（AI）和机器人技术可以推动可持续的电子废物管理，并缓解铜供应紧张问题。

引言

全球电子技术的迅速发展导致了短期电子产品的激增，从而产生了大量的废弃电气和电子设备（WEEE，也称为电子废物）。根据《2024年全球电子废物监测报告》，2022年全球产生了6200万吨电子废物，预计到2030年这一数字将增加到8200万吨，年均增长约250万吨。令人担忧的是，只有22.3%的电子废物得到了收集和回收，而电子废物的产生速度几乎是回收努力的五倍（Baldé等人，2024年）。剩余的大部分电子废物要么被丢弃在垃圾填埋场，要么被焚烧，或者被非法出口到中低收入国家，这些国家的电子废物管理基础设施往往不发达或根本不存在（Baldé等人，2024年；Breivik等人，2014年）。电子废物不仅代表了宝贵资源的巨大损失，还由于含有铅、镉、铬等有毒物质以及二噁英和呋喃等有害有机化合物而带来严重的环境危害（Gómez等人，2023年；Kaya，2016年）。如果没有适当的管理，这些有害物质可能会释放到空气、水和土壤中，造成严重的环境污染并对人类健康构成重大风险（Kaya，2016年）。

在电子废物中，印刷电路板（PCBs）尤为重要，每年产生的量估计为150万至200万吨，占总电子废物的3%至7%（Shi等人，2024年；Meng等人，2017年）。PCBs存在于大多数电子设备中，由于其极高的金属含量，被认为是电子废物中最有价值的组成部分。实际上，PCBs中某些金属的浓度比天然矿石高出三个数量级（Shi等人，2024年；Meng等人，2017年；Gómez等人，2023年）。因此，PCBs常被称为“二次资源”，突显了它们作为城市采矿中可回收材料的重要来源（Gómez等人，2023年；Ilankoon等人，2024年；Jaramillo等人，2025年；Kang等人，2023年）。平均而言，PCBs含有20%至35%的铜，远高于其他可回收金属的浓度（Shi等人，2024年；Gómez等人，2023年）。例如，1吨废弃PCBs（WPCBs）可以提取约280公斤铜，这是从开采矿石中提取铜含量的10至26倍（Gómez等人，2023年）。当从电路板上去除电子元件后，铜的含量几乎可以翻倍（Gómez等人，2023年）。此外，铜矿的品位一直在下降，且由于矿床位于更深的地下，开采难度也在增加（Lagos等人，2018年；Gorman和Dzombak，2020年）。据预测，如果当前采矿能力趋势持续下去，到2035年可能会出现9.9亿吨的铜短缺，相对于2050年实现净零排放目标所需的供应量而言，这将形成20%的缺口（Global，2022年）。因此，从WPCBs中回收铜不仅对环境保护至关重要，也对资源的可持续和高效利用具有重要意义。

与使用原材料相比，处理回收材料可以节省大量资源，特别是在能源和水资源消耗方面，同时由于提取需求较低，还能减少对土地的破坏（Ilankoon等人，2024年；Qiu等人，2020年）。回收通常可以节省75%至95%的能源和高达65%的水资源。例如，生产1吨浓缩铜需要超过120吨矿石，而回收铜则几乎不会产生任何损失，并且可以避免产生数百吨的废物（Gorman和Dzombak，2020年）。然而，从WPCBs或其他二次来源回收铜的整体环境效益在很大程度上取决于所采用的回收方法，这些方法在不同国家之间存在很大差异。多项研究探讨了使用各种方法回收WPCBs，大致分为三类：机械分离（Qiu等人，2020年；Kaya，2016年；Ghosh等人，2015年）、火法冶金工艺（Tatariants等人，2017年；Ortu?o等人，2013年；Caballero等人，2016年）和湿法冶金工艺（Kaya，2016年；Ghosh等人，2015年；Shah等人，2018年）。这些方法还包括其他方法，如生物湿法冶金（Ghosh等人，2015年；Zhu等人，2011年）、离子液体（Gómez等人，2023年；Wu等人，2022年）和超临界流体（Li和Xu，2019年）。

从WPCBs中回收铜的有效性关键在于是否采用了预处理方法。预处理的作用是去除非金属成分，减小材料体积，并暴露有价值的金属（在这种情况下是铜）（Kaya，2016年；Maurice等人，2021年）。WPCBs中的铜主要以导电箔层的形式存在于电路板结构中（Gómez等人，2023年；Ravi Raman等人，2024年）。PCBs的主要功能是提供机械支撑，并在其表面焊接的组件之间建立电气连接，使电子设备能够协同工作。因此，从WPCBs中有效回收铜需要适当的预处理步骤，以去除这些表面安装的组件并暴露电路板结构中的铜。选择最佳的预处理策略可以提高后续提取过程的效率，减少能源消耗和材料损失，并最小化整体环境影响（Gómez等人，2023年；Kaya，2016年；Qiu等人，2020年；Maurice等人，2021年）。此外，预处理还能提供更均匀和可控的输入流，有助于开发标准化的铜提取和回收工艺（Ilankoon等人，2024年；Jaramillo等人，2025年）。

本研究进行了全面的文献回顾，以识别和评估WPCBs的预处理方法，最终选择了十三种方法，包括机械、热处理、化学处理和创新方法。虽然之前的回顾已经列出了拆卸和组件分离技术（Maurice等人，2021年），但本研究通过提供基于标准的比较评估，整合了技术性能、环境影响和经济可行性，进一步推动了这一领域的发展。每种方法都根据23个不同的指标进行了评估，这些指标系统地分为三类。为了便于对预处理方法进行稳健的比较，特别是为了提高铜的回收率，应用了基于理想解相似性排序技术（TOPSIS）的多标准决策分析。本研究的主要目的是确定最有效和可持续的WPCBs预处理策略，从而为决策提供依据并优化下游的铜回收过程。

部分摘录

预处理方法及其指标的选择

进行了全面的文献回顾，以确定WPCBs的预处理方法，重点是从PCB基底中拆卸/分离电子组件（ECs）。选择了十三种不同的方法，并将其分为四类：机械处理、热处理、化学处理和创新方法，这些方法基于Maurice等人（2021年）的先前工作。每种方法的详细描述见补充材料的S1部分。

为选择预处理方法及其铜含量经济潜力而对WPCBs进行表征

PCBs是几乎所有电子设备的基本组成部分，为电子组件的运行提供了所需的机械支撑和电气连接。PCBs的典型组成包括大约30%至40%的金属，主要是铜（20%至35%），以及少量的锡、铅、镍和贵金属（如金和银）。剩余的60%至70%是非金属材料，主要是塑料（如环氧树脂）和陶瓷（例如）

结论

本研究证实，WPCBs是一种重要的二次铜资源，预计到2050年的累计产量将达到1.845亿吨，其中含有约5070万吨铜，是2024年全球铜矿产量的两倍多。按照当前市场价格计算，这相当于近5930亿美元的潜在价值。因此，利用这一潜力不仅对于缓解资源短缺至关重要，也有助于减少与初级采矿相关的环境影响

资助

本研究未获得公共部门、商业部门或非营利组织的任何特定资助。

CRediT作者贡献声明

莫伊塞斯·戈麦斯（Moisés Gómez）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法论、调查、形式分析、概念化。丹尼尔·佩尼亚-托雷斯（Daniel Pe?a-Torres）：撰写——审稿与编辑、可视化、方法论、调查、形式分析。梅兰妮·科莱特-拉格里尔（Melanie Colet-Lagrille）：撰写——审稿与编辑、方法论、调查、形式分析、概念化。凯瑟琳·哈拉米洛（Katherine Jaramillo）：撰写——审稿与编辑、概念化。I.M.S.K. 伊兰库恩（I.M.S.K. Ilankoon）：撰写——审稿与编辑、形式分析

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。